焦其松

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

?

基于LiDAR的建筑物震害分析

焦其松

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

激光雷達(dá)技術(shù)(light detection and ranging， LiDAR)是近年來在攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的新型技術(shù)， 在地震災(zāi)后評(píng)估工作中的應(yīng)用仍處于探索及起步階段， 但已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。 本文從震害評(píng)估的需求出發(fā)， 基于地面LiDAR技術(shù)， 深入研究了地震災(zāi)區(qū)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理的方法， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行震害信息提取及聯(lián)合分析。 主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下：

(1) 傳統(tǒng)方法的適應(yīng)性改進(jìn)與提高。 研究了利用地面LiDAR設(shè)備開展測(cè)量工作的框架和關(guān)鍵方法， 針對(duì)震害建筑物點(diǎn)云形狀不規(guī)則、 數(shù)據(jù)冗余度較高及噪聲較多的特點(diǎn)， 本文通過改進(jìn)傳統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法的關(guān)鍵參數(shù)， 給出了合理的兼顧數(shù)據(jù)處理效率及效果的算法閾值， 通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)算法組合的有效性， 實(shí)現(xiàn)了震害建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效處理。

(2) 首次提出實(shí)驗(yàn)性點(diǎn)云震害定量分析模型。 提出了基于地面LiDAR的建筑物形狀分析模型(terrestrial laser scanning-based building shape analysis model， TLS-BSAM)， 用于完成建筑物震害程度識(shí)別和分析。 該模型融合了邊緣提取、 形狀聚類及判別分析方法， 有效解決了建筑物等高多邊形序列提取、 形狀離散參數(shù)提取、 不規(guī)則建筑物區(qū)塊分割和震害分析等問題。 模型給出了建筑物等高多邊形序列最優(yōu)采樣間隔0.5～1 m， 最大限度保存建筑物震害特征以實(shí)現(xiàn)基于離散點(diǎn)云的形狀分析。 提出了等高多邊形的長(zhǎng)寬比r、 傾斜方向θ、 矩形度R、 緊致度C和中心點(diǎn)位置x，y等特征參數(shù)， 并通過K-means聚類方法， 實(shí)現(xiàn)不規(guī)則建筑物區(qū)塊準(zhǔn)確分割， 通過對(duì)各參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均提取形狀離散參數(shù)， 可有效表達(dá)建筑物單體破壞狀況的特征。 其中傾斜方向、 矩形度、 緊致度和中心點(diǎn)能較好地反映建筑物的破壞情況， 該模型通過建立判別函數(shù)對(duì)現(xiàn)有建筑物樣本震害程度識(shí)別效果較理想。

(3) 拓展點(diǎn)云應(yīng)用， 提高精度。 利用面向?qū)ο蠓椒ǎ?將點(diǎn)云高程、 回波次數(shù)及回波強(qiáng)度信息等作為特征參數(shù)， 豐富了傳統(tǒng)建筑物特征描述因子， 并結(jié)合點(diǎn)云的光譜特征構(gòu)建了建筑物信息提取規(guī)則集， 闡述了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛〗ㄖ锏年P(guān)鍵流程， 實(shí)現(xiàn)了高精度的建筑物信息提取， 與實(shí)地調(diào)查結(jié)果相比， 提取精度可達(dá)90%以上。

(4) 建立理論基礎(chǔ)， 提供新思路與方法。 基于LiDAR數(shù)據(jù)與SAR圖像， 通過距離-多普勒模型(R-D)及射線追蹤法的SAR圖像模擬方法， 選擇典型震害建筑物開展SAR后向散射及三維幾何剖面聯(lián)合分析， 闡述了各類震害的表達(dá)形式， 為震害遙感的定量分析和自動(dòng)判讀建立了良好的理論基礎(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)震害建筑物特征的高可信分析及解譯， 為震后SAR圖像解譯和建筑物震害分析提供了一種新思路與方法。

關(guān)鍵詞地面LiDAR； 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理； 點(diǎn)云震害分析； 面向?qū)ο螅?聯(lián)合分析

(作者電子信箱， 焦其松： 1985jqs@163.com)

中圖分類號(hào)：P315.9；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.014